陳建宏 教授

國立臺灣海洋大學系統工程暨造船學系

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波浪能的利用自法國巴黎於1799年頒發第一個專利給吉拉德（Girard）父子以來，如今已廣受全球的矚目，主要的原因之一是波浪遍及各海域，幾乎大海所在之處，皆有海浪的存在。

在波浪能發展的過程，有幾個里程碑是值得我們回顧的。1940年代，日本海軍將領益田善雄使用波浪能作為導航燈的電源，他所發展出來的技術乃是現今漂浮振盪水柱（oscillating water column；簡稱OWC）的前身。有趣的是，在把波浪能轉換成電能的各種形式中，振盪水柱是目前最被看好的技術之一，七十餘年來，日本對OWC的研發情有獨鍾，迭有創新的構想問世。

1973年出現第一次石油危機，這次國際性的危機讓人類重燃波浪能發電的發展。1974年，英國愛丁堡大學沙特（Stephen Salter）教授研發出點頭鴨（nodding duck）。這是一個很有意思的設計，它的外型類似凸輪的造型，布放在水面上時歪一邊，呈不對稱狀態，這樣的布置違反我們習以為常的對稱模式。透過小尺度的水槽測試，沙特教授發現點頭鴨可以消除90%的波浪，同時創造出81%的發電效率。這個驚人的發現，遂使波浪能發電的研發風起雲湧。事實上，透過流體力學的理論分析，我們可以證明：對於浮在水面上的物體，只有非對稱的二維物體可以把波能百分之百吸收掉，對稱物體並不具有這種特性。沙特教授的直覺確實是對的。

  
圖1  沙特教授所設計的點頭鴨原型（左圖）及其內部電路設計（右圖）。

如今波浪能發電的形式可說百花齊放，英國歐洲海洋能中心（European Marine Energy Center）將這些系統概分為八種形式，包括振盪水柱式、點吸收式、擺盪縱移式、衰減式、越波式、潛沒壓差式、激突波式、以及轉動質量塊式。這些形式雖然各有其特點，但基本上都是非常直觀的設計，採用簡單的物理原理，目前尚未定於一尊，乃表示各類型的技術發展皆有其優缺點，且彼此在伯仲之間。

目前除了現有的技術困境有待進一步突破之外，亞洲海域還必須額外面對兩個難題：中低波能密度，以及颱風所帶來的極端海況。

現代波浪能發電的技術發展源自於擁有高波浪能密度的歐洲地區。歐洲海域因緯度較高，位於西風帶上，浪大、能高，因此波浪能的研發與發電技術的開發都集中於高波能密度特性；相形之下，亞洲海域的波能就顯得小巫見大巫，是否有大規模的開發價值，不無疑義。事實上不只亞洲的海域有此困境，亞熱帶地區的海域也大多有同樣的難題。所以這些中低波能密度的海域其實佔了全球較大的海域區塊，若能有所突破，則其應用範圍將高於針對高波能密度地區所研發出來的系統。

圖2  颱風是亞洲海域發展波浪能發電的一大挑戰。

要衝破此困境，研發更高效率的波浪能發電系統是方法之一，譬如改善機組的性能、獵取更多波浪能等，一直是開發者殫精竭慮要突破、再突破的目標。這當中最具有代表性的類型乃是OWC，早期的OWC效率不高，近年來有U型振盪水柱式的新式樣，可大幅提高振盪水柱的振幅，進而提升發電效率；此外，多槽式振盪水柱、以及日本學者所發展的漂浮後向式OWC，都是另類可提高效率的方式。我們相信還有更多的技術是現今的系統尚未發想到的，未來技術性的大突破並非是天方夜譚！

颱風所帶來的極端海況是亞洲地區遭遇的另一個困境。亞洲的海域，自菲律賓以北、直到日本周圍，都暴露在颱風可能侵襲的區域之內，以2018年為例，颱風與熱帶氣旋幾乎掃過所有的亞洲海域。過去亞洲各國的發展經驗顯示，暴露在海面上的海洋能發電系統，在面對極端海況的肆虐時，通常會遭到不同程度的損壞，就連歐洲的Pelamis波浪能發電系統，在一場暴風雨橫掃過之後，也不能倖免。事實上，除了振盪水柱系統外，其餘波浪能系統的部分重要組件通常會暴露在水面附近，且未得適當的保護，在極端波浪的作用之下，大多顯得脆弱難擋。至於例外的振盪水柱，咸認是較有工程可行性的方式，因此等系統的氣室大多由水泥等土木建材建造而成，極其穩固，對其內的波浪能轉換系統形成充足的保護，更何況這些渦輪機與發電系統並未與水直接接觸，不至遭到波浪的破壞。

圖3  波浪能發電系統可與沉箱結合。

 

所以，適合亞洲海域發展的波浪能系統，應該擁有能讓動力外送器（power take-off；簡稱PTO）與發電系統得到適度保護的架構，也許類似OWC的土木「外罩」是有其必要性的。當然，這會增加開發的成本，但若能與現有的防波堤之類的沉箱結構結合，把沉箱當作「外罩」來使用，則可避開此一疑慮，降低成本，提高可行性。事實上，波浪能發電系統與沉箱結合並非是新的概念，歐洲與南美洲都已經有實際的案例，主要以OWC為主。

最後，亞洲發展波浪能的困境若能有所突破，還有一層社會意義衍生出來。全球較貧窮、或是較弱勢的族群都集中在亞熱帶區域，因此技術上的突破或可促使這些地區的波浪能得到有效開發，若再結合其他再生能源的開發，建立儲能系統與微電網系統，這將有助電力的普及，進而改善當地人的生活品質與生命健康。